项目5位移检测―霍尔传感器.

四川航天职业技术学院电子工程系—自动检测技术教研组项目5位移测量—霍尔传感器应用自动检测技术主要内容一、霍尔传感器发展历史；二、霍尔效应和霍尔传感器原理；三、应用实例；四、实训——位移测量系统。自动检测技术概述霍尔传感器是磁电转换的一种传感器。1879年霍尔在金属材料中发现的，已有一百多年的历史，由于霍尔效应在金属中非常微弱，只是在大学的教科书中作为一种理论而存在，并未付诸实际应用。直到60多年以后，大约到上世纪四十年代后期，半导体工艺的成熟，科学家利用半导体工艺重新试验霍尔效应，结果发现：半导体工艺（P或N型）都可以再现霍尔效应现象，而且N型半导体尤其明显。使霍尔效应得到广泛的应用。我国大约到上世纪七十年代开始研究霍尔元件，已能生产各种性能霍尔元件，例如：普通型、高灵敏度型、低温度系数型、测温测磁性和开关型等。自动检测技术图1霍尔效应原理图自动检测技术dacb图7—2霍尔原件结构1.2霍尔元件结构霍尔元件是半导体四端薄片，一般做成正方形，在薄片的相对两侧对称的焊上两对电极引出线（一对称激励电流端，另一对称霍尔电势输出端），如下图所示。自动检测技术如下图所示。控制电流由电源E供给，R为调节电阻，霍尔输出端接负载，它也可以是放大器的输入电阻或表头电阻。由于霍尔元件必须在磁场与控制电流的作用下，才会输出霍尔电势，实际使用时，可把I或B作为输入信号，而输出信号正比于I和B。由于建立霍尔效应的时间很短（）S，因此，控制电流用交流时，频率可达Hz以上。2霍尔元件的基本电路141210~10910LR自动检测技术VHRERL图7—3霍尔元件基本电路图I自动检测技术电流源图7—5采用运放的霍尔元件连接图霍尔元件的输出信号可采用运算放大器加以放大，元件与放大器集成在同一芯片内。如下图所示。自动检测技术3霍尔元件主要参数•①输入电阻与输出电阻：指控制电流极之间的阻值；指霍尔电压极之间的阻值。•②额定激励电流(mA)：使霍尔元件温升所施加的控制电流，实际使用时，控制电流的增加受到霍尔元件最高温升限制。•⑤霍尔温度系数：在一定磁感应强度和激励电流下，温度每变化1度时，霍尔电势变化的百分率称霍尔温度系数。)(R0iR0RC10自动检测技术参数名称符号单位电阻率几何尺寸输入电阻灵敏度不等位电阻寄生直流电压额定控制电流霍尔电压温度系数内阻温度系数热阻工作温度表7—1常用霍尔元件的参数HZ-1型HZ-2型HZ-3型HZ-4型HT-1型HT-2型HS-1型材料（N型）Ge111Ge111Ge111Ge100InSbInSbInAs输出电阻cmdblmmi0Rv0RHKTmAmV0R0UVCImAQRmVCC1C1TC0.8~1.22048.%20110%20100%20100%20100%20110%20110%2045%.2080%.2080%.2021%2040%.2050%.2050%2011212124%.2081%.281%201070.050.070.020.0050.0050.0030.4540~4540~4540~7540~400~6040~40.250.20.10.%.50%.50%.50%.30%.50%.50%.040%.040%.040%.030%.51%.51202505025152003001502001501000.8~1.20.8~1.20.003~0.010.4~0.50.003~0.050.012048.2048.2048.2048.2024.2036.400~自动检测技术4实际应用•利用霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸。如下图所示。工件凸会导致霍尔元件向上位移Δx，导致磁感应强度B发生变化，引起霍尔电势UH的变化；工件凹会导致霍尔元件向下位移Δx，导致磁感应强度B发生变化，引起霍尔电势UH的变化。•若测得输出量UH为正，则可判断工件为凸，再利用转换电路和控制电路去控制车床去车掉多余的部分。若测得输出量UH为负，则可判断工件为凹，再利用转换电路和控制电路判断该工件凹的程度，以便决定是报废该工件还是留用该工件。自动检测技术ΔxΔx刚性连接霍尔元件永久磁铁工件图7—6霍尔元件测量机械加工工件的凹和凸自动检测技术•随着微电子技术的发展，目前，霍尔器件大多已集成化。霍尔集成电路有许多优点，例如：体积小、灵敏度高、输出幅度大、温漂小、对电源稳定性要求低等。5霍尔集成电路自动检测技术•霍尔集成元件是霍尔元件与集成运放一体化的结构，是一种传感器模块。可分为线性输出型和开关输出型两大类。•开关输出型是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻状态变为到通状态，输出变为低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高电阻状态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。开关输出型霍尔集成元件与微型计算机等数字电路兼容，因此，应用相当广泛。•线性输出型是将霍尔元件和恒流源、线性放大器等做在一个芯片上，输出电压较高，使用非常方便，已得到广泛的应用。较典型的线性霍尔器件如UGN3501等。自动检测技术5.1开关输出型霍尔集成元件下图为开关输出型霍尔集成元件UGN3020的封装及外形尺寸。1为接地端，2为电源端，3为输出端。UGN30201234.5mm4.5mm2mm图7—7开关型霍尔集成电路外形尺寸自动检测技术下图所示为UGN3020的内部电路图。其中，X为霍尔元件，A为放大器，S为施密特电路，T为输出晶体管，E为稳定电源。由于增设了施密特电路，使其具有时滞特性，提高了抗噪声的性能。该电路主要用于接近开关。稳压1(+Ucc)2GNDRL3(Uo)图7—8开关型霍尔集成内部电路图自动检测技术5.2线性输出型霍尔集成元件•下图为线性霍尔器件UGN3501M的内部电路图和输出特性曲线图。当UGN3501M感受的磁场为零时，1、8引腿之间的输出电压为零；感受的磁场为正向（磁钢的S极对准3501M的正面）时，输出电压为正；磁场为反方向时，输出电压为负。UGN3501M的第5、6、7脚外接一只微调电位器后，就可以微调并消除不等位电势引起的差动输出零点漂移。自动检测技术稳压20UO18576+Ucc3GND4图7—10差动输出线性霍尔集成电路自动检测技术00.1-0.5-1.0-1.50.20.30.40.51.01.5-0.1-0.2-0.3-0.4B/TUO/V图7—11差动输出线性霍尔集成电路输出线性自动检测技术•霍尔电势UH是关于I、B两个变量的函数，即UH=KIB，人们利用这个关系可以使其中两个变量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。•霍尔传感器由于结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用。•如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。•此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测量以及自动控制。6霍尔位移传感器应用实验自动检测技术•如下图（a)所示。在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电势与磁感应强度B成正比。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度为一常数如下图（b）所示。则当霍尔元件沿x方向移动时，的变化为:•式中K为位移传感器输出灵敏度。•将上式积分后得:6.1位移测量dxdBHVKdxdBIKdxdVHHKXVH自动检测技术•上式说明，霍尔电势与位移量成线性关系，其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度越好。•当元件位于磁场中间位置上时，，这是由于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁通作用的结果。•一般用来测量1~2mm的小位移，其特点是：惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理还可以测量其他非电量，如力、压力、压差、液位和加速度等自动检测技术NSNS(a)传感器结构示意图XB0(b)磁场变化霍尔电势UH与磁感应强度B关系曲线自动检测技术•6.2霍尔元件测位移实验•霍尔元件测位移实验电路原理图见图2，印制电路版图见图3。•当游标卡尺螺旋转动时，会带动与其连接的磁铁前后移动，导致霍尔元件所处的磁场强度发生变，因此输出的霍尔电压发生变化，输出电压通过运放后直接在数字电压表头上显示出来。自动检测技术图2霍尔元件测位移实验电路原理图自动检测技术图3霍尔元件测位移实验电路板图自动检测技术•第一步，让磁铁向前移动，记录10组位移数据和霍尔电压数据，记录表格见表1；•第二步，让磁铁向后移动，记录10组位移数据和霍尔电压数据；•重复第一步和第二步2次。•求得前向位移、后向位移、霍尔电压等数据的平均值，拟合霍尔传感器的特性曲线和公式，求得其灵敏度指标。•根据实测数据和特性公式，求得传感器量程和精度指标。自动检测技术测量次数前向位移（mm）前向霍尔电压(mV)后向位移(mm)后向霍尔电压(mV)12345678表1实验数据记录表